全套筒全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在鄰近地鐵的溶洞發(fā)育地區(qū)樁基施工中的應(yīng)用

胡 棟 陳 偉 李 榮 唐國順

中建五局第三建設(shè)有限公司 湖南 長沙 410004

1 工程概況

貴陽恒大新世界項目2E地塊1標(biāo)段工程，總建筑面積140 000 m2，含6棟高層，其中10#樓基礎(chǔ)為117根端承灌注樁，樁長26.62～74.10 m不等，其中機(jī)械樁型號為1.2、1.5 m及1.8 m等。

2 特殊地質(zhì)及外部情況

經(jīng)地質(zhì)勘察，場區(qū)位于黔北臺隆遵義斷拱貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)，場地附近無斷層通過，溶洞成串狀發(fā)育。10#樓地址情況復(fù)雜，中間巖層頂板下溶洞處于豎向與橫向強(qiáng)發(fā)育狀態(tài)，基本橫向溶洞全貫通，豎向溶洞深度最大，其中的ZK10-86#樁處至少存在2個溶洞，其中一個溶洞縱向發(fā)育至少10 m。場區(qū)與貴陽市軌道交通2號線一期土標(biāo)項目工程相鄰，最近處僅有10 m，曾有樁在澆筑時因混凝土經(jīng)溶洞流至地鐵涵道底板，導(dǎo)致涵道底板起拱800～1 000 mm[1-2]。

3 普通工藝分析

3.1 普通套筒旋挖

3.1.1 遇巖層套筒不能跟進(jìn)

普通套筒旋挖機(jī)械受抱管器液壓泵動力限制（即套筒旋挖的套筒不具有扭矩力，不具備自主旋進(jìn)能力），鋼套筒遇巖層就無法跟進(jìn)，當(dāng)巖層下部存在溶洞時，巖層下部開挖實際只是無套筒的普通旋挖，當(dāng)掏空部分溶洞填充物時，易造成填充物向孔位擠壓，導(dǎo)致樁孔底部坍孔嚴(yán)重。

3.1.2 遇孤石易偏孔

普通套筒旋挖機(jī)械受抱管器液壓泵動力限制，不能自主旋轉(zhuǎn)挖進(jìn)，只能往下擠壓壓進(jìn)土層。當(dāng)抱管器在下壓套筒的過程中遇到孤石時，套筒極易出現(xiàn)不均勻受力，導(dǎo)致偏位。

3.1.3 遇大溶洞垮塌易偏孔

當(dāng)溶洞較大、橫向及豎向處于強(qiáng)發(fā)育狀態(tài)時，普通套筒旋挖勢必會掏出較多的溶洞填充物，若溶洞填充物具有一定的黏性，則掏出的孔位會讓周邊溶洞物形成較大的勢能，易發(fā)生溶洞塌陷，溶洞越大越深，造成垮塌的可能性越大，垮塌帶來的能量越大，垮塌的填充物對溶洞區(qū)域懸空的套筒形成側(cè)向擠壓，同樣易造成套筒跟進(jìn)過程中偏心受力，導(dǎo)致樁基偏位。

3.2 泥漿護(hù)壁工藝

采用泥漿護(hù)壁進(jìn)行樁施工的過程中，因溶洞橫向及豎向強(qiáng)發(fā)育，護(hù)壁泥漿經(jīng)溶洞流動，涌入鄰近的地鐵施工項目。采用泥漿護(hù)壁，一方面加速了溶洞填充物的液化，使得原豎向及橫向串狀發(fā)育的溶洞變成了通道，導(dǎo)致樁基混凝土在澆筑過程中混凝土流失嚴(yán)重。因反壓混凝土通過溶洞流失至地鐵隧道的護(hù)壁處，擠壓護(hù)壁及底板，導(dǎo)致隧道墻壁多處出現(xiàn)裂縫變形，拱部出現(xiàn)沉降，影響隧道施工安全。

3.3 普通工藝問題

采用泥漿護(hù)壁的各種樁工藝及普通套筒旋挖工藝，均不能有效地處理鄰近地鐵溶洞強(qiáng)發(fā)育的特殊情況，開挖成孔效率低，常出現(xiàn)坍孔塌陷，普通的毛石回填方法不見成效。大多數(shù)樁工藝通過反壓進(jìn)行溶洞處理，當(dāng)溶洞較多、較大時，反壓的次數(shù)就會越多，現(xiàn)場反復(fù)施工會弱化土質(zhì)條件，導(dǎo)致表面土層淤泥化，極易出現(xiàn)大面積的塌陷，增加了機(jī)械施工的安全風(fēng)險。

4 全套筒全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工工藝

如前文所述，因鄰近地鐵，采用泥漿護(hù)壁的各種樁工藝均不能保障泥漿的流失和混凝土的流失對地鐵的影響；干作業(yè)成孔的樁工藝也必須解決混凝土澆筑時的流失問題。為解決巖層下溶洞垮塌問題，就必須使用能夠旋進(jìn)巖層的套筒。

全套筒全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是能驅(qū)動鋼套管進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，并將鋼套筒壓入和拔出的施工機(jī)械。該新型機(jī)械有護(hù)壁驅(qū)動器、鋼套管，配有專用鉆頭實現(xiàn)對巖層的破碎并使鋼套筒跟進(jìn)巖層，結(jié)合旋挖機(jī)聯(lián)合進(jìn)行抓取土施工。

結(jié)合該項目的鄰近地鐵溶洞強(qiáng)發(fā)育的特點，采用全套筒全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工，埋設(shè)一次性鋼套筒，鋼套筒不拔出，以解決混凝土澆筑過程中混凝土流失影響地鐵的問題。

4.1 工藝流程

樁基施工場區(qū)泥漿外運(yùn)，塊石換填，場地平整→樁位放線定位→安放路基板→360°全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位→下第1節(jié)外壁鋼套筒→回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)→旋挖機(jī)就位，旋挖機(jī)（沖抓斗）跟進(jìn)掏渣取土→接外壁鋼套筒，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)→重復(fù)旋挖取土、接外壁鋼套筒、鉆進(jìn)至設(shè)計樁底標(biāo)高→清孔→安置鋼筋籠→下導(dǎo)管→澆灌樁身混凝土至樁頂→振搗樁頭→清理樁頭浮漿、校正鋼筋籠→搭設(shè)承臺鋼筋綁扎、就位的施工架子→承臺鋼筋綁扎→塔吊預(yù)埋件、防雷→隱蔽驗收→承臺基礎(chǔ)混凝土（混凝土試塊制作）→混凝土養(yǎng)護(hù)→基礎(chǔ)驗收

4.2 工藝要點

4.2.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計圖紙結(jié)合地質(zhì)勘察報告和超前鉆資料，對現(xiàn)場地質(zhì)、水文情況進(jìn)行研究，對工程地質(zhì)進(jìn)行土壤可鉆性分析及入巖可鉆性分析，做好樁孔編號及溶洞分布統(tǒng)計、標(biāo)識。

4.2.2 測量放樣

對建設(shè)單位提供的規(guī)劃測量坐標(biāo)控制點進(jìn)行復(fù)核，經(jīng)復(fù)核無誤后，進(jìn)行場內(nèi)二級控制點布設(shè)。根據(jù)二級控制點布設(shè)各樓棟內(nèi)三級控制點。再依據(jù)三級控制點（設(shè)置在各樓棟的主軸線上），按照從整體到局部的原則，進(jìn)行樁位的坐標(biāo)放樣，樁位按樁機(jī)規(guī)劃好的行走路線及樁孔施工先后順序進(jìn)行依次放樣。

4.2.3 移機(jī)對位

定好樁位后將路基板吊到樁位上，復(fù)查樁位無偏差后，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位，吊車一側(cè)吊裝反力架，并用履帶式吊機(jī)抵住。

根據(jù)施工所需壓力，扭矩不同的鉆機(jī)兩側(cè)可以加放小于20 t的配重，防止套筒旋進(jìn)過程中產(chǎn)生的反作用力使機(jī)械挪位。

4.2.4 調(diào)整水平及垂直度

1）調(diào)整機(jī)器水平并保證4個支腳油缸均勻受力，鉆進(jìn)時在距鉆機(jī)十多米處安置兩夾角90°吊繩進(jìn)行觀察，隨時糾偏。

2）在主、副夾具完全打開的情況下放入刀頭節(jié)套管7.5 m，吊放過程中不要與主機(jī)機(jī)體碰撞。

3）保證套管刀頭與地面有150 mm的距離夾緊套管，同時觀察水平情況，可做微量調(diào)整，并隨時監(jiān)測。

4.2.5 鉆進(jìn)取土

1）在鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的同時觀察扭矩、壓力及垂直度的情況，并做記錄。當(dāng)鉆進(jìn)至全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)平臺上端留有1～2 m外壁鋼套筒時，吊裝旋挖鉆機(jī)作業(yè)平臺，用旋挖鉆機(jī)取土作業(yè)（圖1）。

2）測量取土深度，當(dāng)外壁鋼套筒內(nèi)留有1～2 m土未取時，停止取土，處理外壁鋼套筒接口，準(zhǔn)備接下一節(jié)外壁鋼套筒。套筒口要進(jìn)行除銹，涂抹油脂，并加一層保鮮膜，便于拆裝。

3）吊裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)外壁鋼套筒及套管進(jìn)行連接，保養(yǎng)過的連接螺栓要對稱均勻加力并緊固（圖2）。

圖1 鉆進(jìn)取土現(xiàn)場

圖2 鋼套筒連接現(xiàn)場

4）連接原裝外壁鋼套筒后繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)后用旋挖鉆機(jī)取土作業(yè)，循環(huán)以上的操作過程。

4.2.6 外壁鋼套筒安置

鋼套筒安置時頂標(biāo)高同設(shè)計樁頂標(biāo)高，以上放置可周轉(zhuǎn)的厚5 cm孔口外壁鋼護(hù)筒，孔口鋼護(hù)筒高出場地標(biāo)高300～1 000 mm，以防止孔口周邊土體塌陷、掉渣等。

4.2.7 鋼套筒連接

鋼護(hù)筒連接時，在連接銷連接的基礎(chǔ)上，使用附加焊接片進(jìn)行焊接加強(qiáng)。每節(jié)長度均為3 m，厚度均為50 mm，底筒靴部位厚度50 mm，采用安裝日本刀齒的方式進(jìn)行跟進(jìn)（圖3）。

圖3 筒靴示意

套筒標(biāo)準(zhǔn)節(jié)（圖4）常規(guī)長度為3、6 m，輔以1、2、4 m的規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。套筒標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的上下兩端焊有連接環(huán)，連接環(huán)上設(shè)有定位銷和錨環(huán)并通過連接銷（圖5）進(jìn)行連接[3-4]。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)套筒節(jié)大樣

圖5 連接銷大樣

4.2.8 管涌控制

隨時觀察孔內(nèi)地下水和穿越砂層的動態(tài)，按少取土多壓進(jìn)的原則操作，做到套管超前，充分發(fā)揮鉆機(jī)強(qiáng)大扭矩及壓入力的鉆孔性能特點。依據(jù)套管的最大切割下壓能力，做到套管始終超前，抓土在后，抓土面離套管底的最小距離應(yīng)保持在2倍樁直徑以上，使孔內(nèi)留足一定厚度的反壓土層，防止管涌的產(chǎn)生。往孔內(nèi)灌水，直到相當(dāng)于承壓水頭的高度后再鉆進(jìn)。

5 工藝對比

因全套筒全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的套筒配有專用鉆頭結(jié)合傳動裝置，能實現(xiàn)360°的轉(zhuǎn)向，在遇到孤石的情況下，一般套筒旋挖在下壓套管時，因不均勻受力會導(dǎo)致套筒偏向，導(dǎo)致樁孔偏位，而全套筒全回轉(zhuǎn)能切開孤石，通過套管可強(qiáng)制導(dǎo)向防止偏孔，確保樁位不受孤石影響（圖6）。

普通工藝采用泥漿護(hù)壁靜壓工藝施工，當(dāng)鉆進(jìn)至無填充且容積較大的溶洞或貫穿發(fā)育的溶洞時，泥漿會瞬間流失，從而使樁上部失去泥漿壓強(qiáng)及護(hù)壁，在土質(zhì)松散時就會造成坍孔，同時沒有孔壁導(dǎo)向時容易造成偏孔。而全套筒全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配備套筒能強(qiáng)制導(dǎo)向，有效防止坍孔偏孔（圖7）。

圖6 全套筒全回轉(zhuǎn)穿透孤石

圖7 全套筒全回轉(zhuǎn)穿透溶洞

該項目溶洞串狀發(fā)育至地鐵施工位置，開挖及澆筑階段都不拔出套筒，避免了采用泥漿護(hù)壁時泥漿經(jīng)溶洞流失至地鐵施工項目位置對地鐵施工造成影響，避免了混凝土澆筑時混凝土擠壓溶洞填充物進(jìn)而對地鐵隧道的護(hù)壁造成擠壓。

6 結(jié)語

全套筒全回轉(zhuǎn)跟進(jìn)不拔出的施工工藝，由于外壁鋼套筒能有效穿過溶洞、孤石、巖層，完全跟進(jìn)至持力層巖層，開挖及澆筑過程都不拔出，樁孔與周邊土體完全隔絕。在成孔后吊裝鋼筋籠的過程中，鋼筋籠不會與周邊土體接觸，孔壁不會掉渣、溶洞不會坍孔至樁底，樁底沉渣較少，能有效成孔且有質(zhì)量保證，能快速且有效地處理鄰地鐵溶洞強(qiáng)發(fā)育地質(zhì)條件下的樁基施工。